以太坊:關于 Optimistic Rollup，你需要知道的一切（上）

以太坊生態的最大挑戰之一是如何在資源有限的前提下實現低延遲和高吞吐量。

系統的去中心化程度取決于網絡中最弱的節點驗證系統規則的能力。可以在低資源硬件上運行的高性能協議被稱為“可伸縮的”。

在本文中，我們將深入探究現代“Layer2方案”的原則，這些方案的安全模型，及其在解決以太坊可擴展性問題上采取的策略。

本文的預設讀者是那些對密碼學技術感興趣的人。如果你想要深入了解以太坊前沿可擴展性技術，以及如何設計并構建這類系統，千萬不要錯過這篇文章。

在本文中，重要的關鍵詞和概念都已加粗，因為這些都是你在了解密碼學貨幣技術時經常遇到的術語。本文涉及的概念比較復雜。如果你在閱讀中遇到困惑，請不要放棄，守得云開見月明。

區塊鏈資源要求

在比特幣和以太坊等去中心化網絡中，運行節點的資源要求主要有三種：

帶寬：下載并廣播區塊鏈相關數據的成本。

計算：在腳本或智能合約中運行計算的成本。

存儲：出于索引目的存儲事務數據的成本，以及為了繼續處理新的事務塊而存儲“狀態”的成本。

影響性能的因素有：

吞吐量：系統每秒可處理事務的數量

延遲：處理一筆事務所需的時間

游戲區塊鏈 MarbleX 將通過 WARP Bridge 集成至 Aurora:6月5日消息，NEAR 基金會與手游開發商 Netmarble 推出的基于 Klaytn 的游戲區塊鏈生態系統 MarbleX 建立戰略合作伙伴關系，以進一步擴展 Web3 生態系統。MarbleX 將建立在 NEAR 生態 EVM 擴容網絡 Aurora 之上，NEAR Protocol 將通過 WARP Bridge 與 MarbleX 集成，游戲玩家可通過 NEAR 區塊鏈操作系統享受各種游戲和獨家內容。[2023/6/5 21:16:26]

比特幣和以太坊等新興密碼學貨幣網絡的理想特性是去中心化。那么問題來了，網絡是如何實現去中心化的呢？

低信任：有了這個特性，任何人都能自主驗證比特幣的總供應量永遠不會超過2100萬個，及其持有的比特幣不是偽造的。運行節點軟件的人可以獨立計算最新狀態，并驗證出塊流程是否遵循所有規則。

低成本：如果節點軟件的運行成本很高，人們就會選擇依靠可信第三方來驗證狀態。成本高意味著信任要求也高，這是我們極力想要避免的。

另一個理想特性是可擴展性：吞吐量能夠隨運行節點的成本增加呈超線性增長。這個定義很棒，但是并未指明與“信任”慣性。因此，我們另外定義了“去中心化可擴展性”：在幾乎不會提高系統信任假設的情況下實現可擴展性。

數據：五月份比特幣網絡的礦工總收入達9.166億美元:6月2日消息，The Block數據顯示，五月份比特幣網絡的礦工總收入達到了9.166億美元，環比增長13.7%。值得一提的是，由Ordinals掀起的比特幣NFT熱潮推動了礦工交易費用收入的激增，五月礦工通過交易費用獲得的總收入超過1.2億美元。[2023/6/2 11:53:14]

以太坊的運行時環境是EVM。在EVM中，事務在執行不同操作時需要承擔的成本不同。事務的計算單位叫做“gas”。在以太坊系統中，每個區塊的gas上限被設為1250萬gas。平均每12.5秒可以挖出一個區塊。由此可得，以太坊的延遲是12.5秒，吞吐量是每秒100萬gas。

你可能會問一個問題：每秒100萬gas能做什么？

每秒可完成大約47筆“簡單轉賬”事務。所謂“簡單轉賬”事務，就是指“A向B轉了一筆ETH”這樣最基礎的事務。每筆事務需要2.1萬gas。

每秒可完成大約16筆ERC20代幣轉賬。這類事務相比ETH轉賬事務需要執行更多存儲操作，因此每筆事務需要約6萬gas。

每秒可完成大約10筆Uniswap資產交換操作。代幣對事務的平均成本約為10.2萬gas。

……選擇你感興趣的事務，用100萬gas除以其gas消耗量。

請注意，隨著事務的執行復雜度提高，系統的吞吐量急劇下降。還有很大的提升空間！

Ankr：將從1500萬美元恢復基金中調用資金購買增發的HAY并補償相關受損用戶:12月7日消息，Ankr團隊表示，將對受此次攻擊事件影響的用戶和合作伙伴負責，團隊正在24小時不間斷的努力去處理和協商所有的賠償事宜。

Helio將全權負責由于aBNBc被攻擊導致的約1500萬美元壞賬。Ankr將從1500萬美元的恢復基金中調用資金用來購買市場上增發的HAY，且與Helio一起協作處理因此次攻擊所造成的壞賬。此次事件發生后，Ankr將與Helio密切合作，幫助其重建生態系統。[2022/12/7 21:27:37]

方案1：使用中間方

我們可以使用大家都信任的第三方來達成所有事務。這樣一來，我們就可以得到很高的吞吐量，并將延遲降至亞秒級。簡直太棒了！這樣也不會改變任何系統參數，但是我們需要參與一個由第三方單方面設置的信任模型。第三方可能會對我們進行審查，甚至奪走我們的資產，這就不妙了。

方案2：擴大區塊容量并提高出塊頻率

我們可以通過減少出塊時間來降低時延，我們還可以通過提高區塊gas上限來提高吞吐量。這一改變可能會導致節點運營成本提高，從而阻礙人們運行節點。

方案1會提高對信任的需求，方案2會增加成本。因此，二者都不是理想的可擴展性方案。

重新認識OptimisticRollup

美聯儲：第二季度股市市值下降了7.7萬億美元:9月10日消息，美聯儲表示，第二季度股市市值下降了7.7萬億美元。美國家庭凈資產在2022年第二季度降至143.8萬億美元。[2022/9/10 13:20:43]

接下來會涉及一些關于哈希函數和默克爾樹的知識。

了解了這么多之后，我們來模擬一段蘇格拉底式對話，看看能否找到一個既能提高以太坊的實際吞吐量，又不會增加用戶和節點運營者負擔的協議。

問

：我們想要提高以太坊的可擴展性，又不想改變其信任和成本假設。我們該怎么做？

答

：可以嘗試降低現有操作的成本。不過，說起來容易做起來難，我們先來看一下以太坊的架構：

以太坊網絡中的每個節點目前都存儲并執行來自用戶的每筆事務。事務是在EVM中執行的，并與EVM的狀態進行交互。常見的智能合約優化技術主要聚焦于在最大程度上減少與狀態交互的次數，但是它們起到的作用很有限。

問

：是否存在不與狀態交互就能達成交互的方法，以此降低資源成本？

答

：在極端情況下，我們是否可以將所有執行都轉移到鏈下，并將數據保存在鏈上？我們可以引入第三方，即，排序者，來做到這點。排序者負責在本地存儲并執行用戶提交的事務。為了保持系統的活性，排序者會定期將它們收到的事務的默克爾根以及狀態根提交到以太坊上。這個思路是正確的，因為O(N)筆鏈下事務只需在以太坊上存儲O(1)的狀態數據。

中國移動發布2021年可持續發展報告：持續鍛造區塊鏈等核心能力引擎:金色財經報道，中國移動近日發布2021年可持續發展報告，報告指出中國移動將構建“連接+算力+能力”新型信息服務體系，持續鍛造業界領先的區塊鏈等核心能力引擎。[2022/6/18 4:36:17]

問

：通過使用排序者執行鏈下計算，只將默克爾根發布到鏈上，我們就能增強以太坊的可擴展性了是嗎？

答

：是的。

問

：也就是說，只要我們選擇了排序者，就能大幅降低轉賬成本。那用戶怎么存錢進去呢？

答

：你在以太坊區塊鏈上把錢存進某個合約，就能加入這樣的系統了。排序者會將相應的存款記在你的名下。用戶只需要發送一筆事務稱“我想要取出3ETH，我當前的賬戶余額大于3ETH，這是證明”，就可以取出資金。即使L1上沒有該用戶的實際狀態，該用戶也可以提供默克爾證明并引用排序者發布的狀態根來證明自己在當前狀態下擁有足夠多的資金。

問

：我們已經確定用戶需要提供默克爾證明才能取出資金。用戶如何獲得構建默克爾證明所需的數據？

答

：用戶可以要求排序者來提供數據！

問

：如果總是聯系不上排序者，該怎么辦？

答

：這種情況可能是因為排序者作惡，或因技術問題掉線，這會導致性能退化。因此，我們必須要求排序者將完整的事務數據提交到鏈上，只用于存儲，不用于執行。這里的目的是實現數據可得性。由于所有數據都永久存儲在以太坊上，即使一個排序者倒下了，新的排序者也可以從以太坊上重新找回所有與Layer2相關的數據，重新構建最新的L2狀態，并接替上一個排序者的工作。

問

：如果排序者在線卻拒絕向我提供默克爾證明數據，我可以從以太坊上下載這些數據對嗎？

答

：對的，你可以自己同步一個以太坊節點，也可以從眾多節點托管服務提供商中選擇一家。

問

：我還有個不明白的地方……如何將數據存儲在以太坊上卻不執行它？難道不是每筆事務都要經過EVM執行的嗎？

答

：假設你提交了10筆A向B轉ETH的事務。執行每筆事務需要執行以下操作：增加A的nonce，減少A的余額，并增加B的余額。這需要多次寫入和讀取世界狀態。你可以將所有事務的編碼發送至智能合約的

publish(bytes_transactions)public{}

函數。請注意，這個函數的函數體是空的！也就是說，如此發布的事務數據是不會被解釋、執行或訪問的。它只存儲在區塊鏈的歷史日志中。

問

：我們能信任排序者嗎？如果排序者發布非法的狀態轉換怎么辦？

答

：無論排序者何時發布一批狀態轉換，都會有“爭議期”。在“爭議期”內，任何人都可以發布“欺詐證明”來證明其中某個狀態轉換是無效的。欺詐證明就是通過重放導致鏈上發生狀態轉換的事務，并將得到的狀態根與排序者發布的狀態根進行對比。如果兩個狀態根不同，則欺詐證明成功，狀態轉換被取消。跟在該無效狀態轉換后面的狀態轉換也會被取消。爭議期一過，就無法再對事務提出爭議，即，事務被敲定。

問

：等等！你之前明明說過，只要會增加成本，或引入新的信任假設，就是不可行的可擴展性方案。你這里提到的方案不是要假設時刻有人會報告欺詐嗎？

答

：沒錯。我們假設有一組被稱為“驗證者”的實體負責監控欺詐行為。如果Layer1和Layer2之間出現狀態不匹配的情況，驗證者就會發布欺詐證明。我們還假設驗證者能夠在爭議期內將其欺詐證明發布到以太坊區塊鏈上。我們認為，驗證者的存在是一個弱假設。想象一下，如果有數萬名用戶采用該方案，你只需要1個人來擔任驗證者的角色。聽起來不是那么不切實際吧！另外，改變以太坊的信任模型，或增加運行以太坊節點的成本是一個強假設，會做出我們不想要的改變。這就是我們的中心化可擴展性定義中的“幾乎不會改變底層系統的設想”的意思。

問

：我同意會有人擔任驗證者的角色，因為這個新的解決方案牽涉到很多人的利益。但是，具體怎樣還得取決于實際成本。那么，運行驗證者和排序者需要消耗多少資源？

答

：排序者和驗證者必須運行一個以太坊全節點，以及一個L2全節點來生成L2狀態。驗證者運行創建欺詐證明的軟件，排序者運行打包并發布用戶事務的軟件。

問

：就這些嗎？

答

：沒錯！恭喜！你已經重新發現了OptimisticRollup，這個2019至2021年最有前景的可擴展性方案。我可沒有在說大話，這是以太坊社區經過多年研究得出的成果。也就是你在這段簡短的對話中聽到的。

注：

：我們建議讀者閱讀Vitalik的雄文《區塊鏈資源定價》。

：請注意，存儲“狀態”的成本比存儲原始事務數據的更高。

：OptimisticRollup就是“optimisticcontract”和“onchaindataavailability”的合體。

原文鏈接:

https://research.paradigm.xyz/rollups

作者:GeorgiosKonstantopoulos

翻譯&校對:

閔敏&

阿劍

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